Ağaç şekilli dal kanallı zıt ve paralel akışlı ısı değiştiricisinin ısı transferi ve akış karakteristiklerinin incelenmesi

Abstract

Yapılan bu tez çalışmasında, tek fazlı akışta ısıl karakteristikleri iyileştirmek için dallara ayrılmış Fractal (dal) benzeri akışkan kanal yapısı esas alınarak ağaç şekilli üç seviyeli paralel ve zıt akış esasına dayalı çalışabilen bir ısı değiştiricisi sistemi tasarlanmış ve üretilmiştir. Tasarlanan diskler üzerine dal benzeri ısı değiştiricisi; alt, orta ve üst olmak üzere üç ayrı disk şeklindeki plakadan oluşmaktadır. Alt ve üst plakaların birer yüzeyi, orta plakanın ise her iki yüzeyi üzerine birbirine simetrik biçimde üç seviyeli ve her seviyesi farklı uzunluk ve çaplarda 156 adet silindirik kesitli dallanmış kanallar açılmıştır. Bu ısı değiştiricisinde akışkan çifti olarak sıvı akışkan (sıcak ve soğuk su) kullanılmıştır. Her iki sıvı akışkanın ısı değiştiricisi alt ve üst plaka üzerinde girişte eksenel yönde 1 adet, çıkışta ise radyal yönde 12 adet silindirik kanal bulunmaktadır. Açık ve kapalı devre esasına dayalı paralel ve zıt akış türüne göre akışkan, eksenel veya radyal yöndeki bağlantı noktalarından eşit ısıl kapasite oranlarında sisteme girmekte ve tahliye olmaktadır. Açık devre çalışma şartlarında ısıtma suyu 35-45°C sıcaklık aralıklarında ve 2,0-4,0 lt/dak debi aralığındadır. Kapalı devre çalışma şartlarında ısıtma suyu sıcaklığı 45-65°C sıcaklık aralıklarında ve 2,0-9,0 lt/dak debi aralığındadır. Deneysel çalışma esnasında ısıl ve hidrodinamik karakteristikler sistemin oto kontrolü MATLAB R2013b paket programında yazılan bir yazılım üzerinden kontrol edilmektedir. Bu çalışmada, deneylerden elde edilen veriler MATLAB R2013b ve ANSYS-Fluent paket programları kullanılarak deneysel ve sayısal analizler yapılmıştır. Yapılan analizlerde, artan akışkan debisinde bazı yanal en dış kanalların pozisyonlandırılması hız seviyesinin düşmesine sebep olmuştur. Bu durumda çatallanma geometrisinin her bir dallanma seviyesi için eşit kütlesel debilere bölecek şekilde tasarlanması gerektiği sonucuna varılmıştır. Isıl kapasite debilerinin (Cr) değişiminin test bölgesi üzerindeki etkileri ε -NTU yöntemi ile incelenmiştir. Farklı ısıl kapasiteleri için ε=0,24-0,58 ve NTU =0,3-0,81 değerleri arasında değişmektedir. Isıtma bölümündeki akışkan debisi soğutma bölümündeki akışkan debisine oranla kademeli olarak arttırılmış, bu durum ısıtma bölümündeki ortalama sıcaklığı arttırdığı için ısı değiştiricisinin etkenliğinin artmasına neden olmuştur. Sonuçta, bu gibi akış kanal geometrilerinde kanal seviye sayısındaki artışın, var olan maksimum sıcaklığı düşürdüğü, basınç düşüşünün giderek arttığı, daha düşük ve daha düzgün hız ve homojen sıcaklık dağılımlarının elde edilmesine neden olduğu gözlemlenmiştir. Sonuçlar, bu tür ağaç şekilli (fractal) dal kanal yapısına sahip akış kanallarında, dal seviyesinin artmasının öneminin olmadığını göstermektedir. Sonuçlar, ısı değiştiricisinde, kapalı ve açık devre durumları için, paralel akışın zıt akış çalışma şartlarına göre daha etkin olduğunu göstermiştir.

In this study, a heat exchanger system capable of working on tree-shaped three-level parallel and opposite flow basis was designed and manufactured to improve the thermal characteristics in a single-phase flow, based on the branched Fractal like flow channel structure. A smiliar phylum of heat exchanger on discs that consists the plates of lower,middle and upper. Onto one surface of the lower and upper plates and both surfaces of middle plate, 156 Branched-micro channels with cylindrical sections were opened in three levels symmetrically with each other at different levels and diameters. In this heat exchanger, as the fluid double, fluid liquid (cold and hot water) is used. On the both heat exchangers' both bottom and upper plates, in the input, 1 longitudinally; in the output 12 cylindirical radially channels are existing. According to the parallel and counter flow type based open circuit and closed circuit principle, the fluid enters the system at equal thermal capacity ratios from the axial or radial connection points and discharges. In the open circuit operating conditions, the heating water is in the temperature range of 35-45°C and the flow rate is 2,0-4,0 lt / min. Similarly , in the closed circuit operating conditions, the heating water is in temperature range of 45-60°C and the flow rate is 2,0-4,0 lt/ min. During the experimental work, the temperature and hydrodynamic characteristics of the system are controlled through software written in the MATLAB R2013b package program. In this study, experimental and numerical analyzes were carried out using MATLAB R2013b and ANSYS-Fluent ready packet programs. In the analysis, in the increasing flow rate, positions of some external and lateral channels are determined as cause of the decrasing in level of velocity. The result, requirement of designation as the bifurcation geometry divides the mass flow rate equally for each level ol branching, is obtained. The effects of the change in thermal capacity (Cr) on the test zone were investigated by the ε-NTU method. For different thermal capacities, ε =0,24-0,58 and NTU =0,3-0,81. The efficiency of the heat exchanger is also increased because the fluid flow rate in the heating section is gradually increased with respect to the fluid flow in the cooling section, which increases the average temperature in the heating section. As a result, it has been observed that increasing the number of channel levels in such flow channel geometries results in lower and more uniform velocity, increasing pressure drop and homogeneous temperature distributions when the existing maximum temperature is lowered. The results show that increase in level of branches is not important on the fluid channels which includes this kind (fractal) branch channel with tree-shaped. The results also show that, in the branched model heat exchanger, for opened and closed circuits, parallel flow is more efficient than the opposite flow conditions.